芯思想 | 完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，切入安全領(lǐng)域，加快FPGA國(guó)產(chǎn)化

導(dǎo)語

全球半導(dǎo)體市場(chǎng)格局已成三足鼎立之勢(shì)，ASIC (Application Specific Integrated Circuits,專用集成電路)、ASSP(Application Specific Standard Parts，特殊應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)、FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)三分天下。相較于 ASIC 和 ASSP 巨大的市場(chǎng)容量而言，F(xiàn)PGA 還只是一個(gè)小眾市場(chǎng)。但是市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)研究數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)PGA 已經(jīng)逐步侵蝕 ASIC 和 ASSP 的傳統(tǒng)市場(chǎng)，并處于快速增長(zhǎng)階段。現(xiàn)階段 FPGA 的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，從汽車、廣播、計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)、消費(fèi)類、工業(yè)、醫(yī)療、軍事、測(cè)試測(cè)量、無線和固網(wǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域正向各行各業(yè)滲透。

國(guó)外 FPGA 發(fā)展之路

20 世紀(jì) 80 年代是 FPGA/PLD 興起的年代，Xilinx、Altera(2015 年被 Intel 收購(gòu))、Lattice、Actel(2010 年 10 月被 Microsemi 收購(gòu))、QuickLogic 等純 FABLESS 設(shè)計(jì)公司都是在此年代成立的，同時(shí)相當(dāng)多的 IDM 公司也開始進(jìn)入 FPGA/PLD 領(lǐng)域，到 20 世紀(jì) 90 年代，約有 50 家公司從事 FPGA/PLD 研究。20 世紀(jì)未 FPGA 市場(chǎng)經(jīng)過一番激烈整合，許多業(yè)者不是退出 PLD 市場(chǎng)，就是出售其 PLD 業(yè)務(wù)部門，或?qū)?PLD 業(yè)務(wù)部門分立成獨(dú)立公司，或進(jìn)行購(gòu)并等，如 Intel、Philips、Agere Systems 都出售其 PLD 部門；AMD 將 PLD 部門剝離出去成立 Vantis；GateFiel 公司被收購(gòu)；進(jìn)入 21 世紀(jì)，在國(guó)外目前剩下不到 10 家，除 Xilinx 和 Intel PSG(原 Altera)兩家持續(xù)不斷地軍備競(jìng)賽，其它的都有著各自固守的市場(chǎng)定位。盡管競(jìng)爭(zhēng)激烈，但 FPGA 領(lǐng)域依然有新興業(yè)者出現(xiàn)，如受英特爾新工藝支持的 Achronix Semiconductor 以及 MathStar 等。不過新興公司都是直奔高端應(yīng)用而去。
 

除了單純數(shù)字邏輯性質(zhì)的可程序邏輯裝置外，混訊、模擬性質(zhì)的可程序邏輯裝置也展露頭角，例如 Cypress Semiconductor 的 PSoC(Programmable System-on-Chip)即具有可組態(tài)性的混訊電路，或如 Microsemi 公司也提出可程序化的混訊芯片 Fusion，或者 QuickLogic 研發(fā)的 CSSP(Customer Specific Standard Product)，或者也有業(yè)者提出所謂的現(xiàn)場(chǎng)可程序化模擬數(shù)組(Field Programmable Analog Array；FPAA)等，相信這些都能為可程序化芯片帶來更多的發(fā)展動(dòng)能。
 

根據(jù)器件發(fā)展歷程以及市場(chǎng)應(yīng)用需求發(fā)展趨勢(shì)，F(xiàn)PGA 今后仍然主要朝以下幾大方向發(fā)展：第一，高密度、高速度、寬頻帶、高保密；第二，低電壓、低功耗；第三，低成本、低價(jià)格；第四，IP 核復(fù)用、系統(tǒng)集成；第五，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)及單片集群。這些發(fā)展方向并不相互排斥，從 Xilinx 和 Altera 最新發(fā)布的器件來看，他們已經(jīng)結(jié)合幾種發(fā)展方向上的特點(diǎn)，形成功能性能更強(qiáng)大的產(chǎn)品。
 

發(fā)展國(guó)產(chǎn) FPGA 的背景

由于全球四家頂級(jí) FPGA 公司 Xilinx、Intel PSG(原 Altera)、Microsemi(原 Actel)、Lattice 全部是美國(guó)公司，美國(guó)政府對(duì)我國(guó)的 FPGA 產(chǎn)品與技術(shù)出口進(jìn)行苛刻的審核和禁運(yùn)，使得我國(guó)在航天、航空乃至國(guó)家安全領(lǐng)域都受到嚴(yán)重制約。盡管多年來我國(guó)政府投入了數(shù)百億科研經(jīng)費(fèi)，通過逆向工程方式仿制美國(guó)禁運(yùn)的 FPGA 產(chǎn)品。但由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)、生產(chǎn)工藝和軟件技術(shù)諸多方面的限制，仿制品種有限，技術(shù)無法突破，難以滿足國(guó)家安全的需要。隨著國(guó)際形勢(shì)的變化，通過走私進(jìn)口禁運(yùn)產(chǎn)品的渠道可能被切斷，進(jìn)口的關(guān)鍵芯片也可能被人為地嵌入后門通道或定時(shí)炸彈等模塊，嚴(yán)重危及國(guó)家安全。因此，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 FPGA 技術(shù)與產(chǎn)品對(duì)于打破美國(guó)企業(yè)和美國(guó)政府結(jié)合的壟斷意義深遠(yuǎn)。
 

特別是近年來針對(duì)工業(yè)、國(guó)防、航空、通信和醫(yī)療系統(tǒng)的攻擊事件不斷增加，航天、軍工、工業(yè)控制和醫(yī)療等部門，均十分關(guān)注信息的安全性，因此電子器件產(chǎn)品的安全性也就越來越多地受到企業(yè)的重視，它們需要更能保障設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)安全的 FPGA 器件。由于電子系統(tǒng)內(nèi)的安全性和防篡改防護(hù)正受到越來越多的重視，因此高安全性 FPGA 解決方案的市場(chǎng)需求在不斷提升，已經(jīng)逐漸成長(zhǎng)為一個(gè)相對(duì)特殊但增長(zhǎng)快速的市場(chǎng)。
 

中國(guó)公司要在 FPGA 領(lǐng)域取得進(jìn)步，需用新產(chǎn)品、新技術(shù)帶給客戶更多的價(jià)值。因此，中國(guó) FPGA 企業(yè)在技術(shù)實(shí)力與全面市場(chǎng)開拓能力尚弱之際，以點(diǎn)帶面、找準(zhǔn)定位，從特殊應(yīng)用領(lǐng)域入手，尋求合適發(fā)展的市場(chǎng)作為切入點(diǎn)，形成中國(guó) FPGA 的核心競(jìng)爭(zhēng)力，也不失為一個(gè)發(fā)展國(guó)產(chǎn) FPGA 產(chǎn)業(yè)的有效途徑。
 

中國(guó)擁有超過 60 億元的 FPGA 市場(chǎng)。十二五期間，中國(guó)的可編程器件市場(chǎng)保持年均 30%以上的增長(zhǎng)速度。中國(guó)電子產(chǎn)品市場(chǎng)要求敏捷快速的研發(fā)周期和少量多樣的產(chǎn)品形態(tài)，最適合 FPGA 應(yīng)用。

我國(guó)的一些重要研究部門急需也長(zhǎng)期需要高可靠 FPGA 用于國(guó)家安全和重點(diǎn)應(yīng)用，比如航天航空、信息安全等。這個(gè)市場(chǎng)足夠大，足夠支撐 FPGA 研發(fā)。
 

國(guó)產(chǎn)化之路，產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境是關(guān)鍵

高可靠性市場(chǎng)需求正為中國(guó)國(guó)產(chǎn) FPGA 提供了這樣一個(gè)相對(duì)有利的發(fā)展空間。對(duì)于尚不夠強(qiáng)大的中國(guó) FPGA 企業(yè)來說，如能把握住這個(gè)市場(chǎng)，不失為一條差異化的發(fā)展路徑。

既然有了足夠的市場(chǎng)，那么我們就不要去討論市場(chǎng)的問題，而是要建立生態(tài)環(huán)境的問題。

1、制造工藝技術(shù)

目前主流的 FPGA 廠商 Xilinx、Intel PSG(原 Altera)都與 Foundry 公司建立了緊密的戰(zhàn)略伙伴關(guān)系，Xilinx 和 UMC、東芝、三星都有合作，而 Intel PSG(原 Altera)與全球最大的代工商 TSMC 緊密捆綁，其技術(shù)緊跟工藝發(fā)展。國(guó)內(nèi)目前的代工公司中芯國(guó)際、華虹宏力要肩負(fù)起重任，與國(guó)內(nèi) FPGA 公司一起在工藝技術(shù)上緊密合作。

2、EDA 軟件支持

通過高性能的 EDA 工具可以充分開發(fā)出 FPGA 芯片的產(chǎn)能。完善的生態(tài)系統(tǒng)能夠提供給用戶更全面的設(shè)計(jì)資源，從而突出系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，迅速適應(yīng)各種市場(chǎng)應(yīng)用變化，快速搶占市場(chǎng)高地。

Xilinx、Intel PSG(原 Altera)兩大主流 FPGA 公司都和 EDA 設(shè)計(jì)公司合作緊密，只要有 FPGA 新品面世， EDA 設(shè)計(jì)公司就可以進(jìn)行支持。而國(guó)內(nèi)目前的 EDA 公司本身的技術(shù)能力有待加強(qiáng)，與 FPGA 公司的合作有待完善。目前國(guó)內(nèi)的 FPGA 公司除了要做產(chǎn)品外，還要開發(fā)相應(yīng)的配套軟件，各家公司的軟件無法兼容，這無形中加大了研發(fā)成本。
 

3、應(yīng)用開發(fā)支持

FPGA 不是終端產(chǎn)品，其本身是一張白紙，需要由應(yīng)用方案設(shè)計(jì)人員在上面勾畫出美景。如果一個(gè) FPGA 產(chǎn)品沒有好的應(yīng)用支持團(tuán)隊(duì)開發(fā)各類應(yīng)用或參考設(shè)計(jì)，產(chǎn)品也很難在市場(chǎng)上有所表現(xiàn)。

結(jié)語

高端產(chǎn)品有 Xilinx 和 Intel PSG(原 Altera)雙雄把守，特殊應(yīng)用市場(chǎng)有 Microsemi(原 Actel)、Lattice 死死防守，加上四家共有的 9000 項(xiàng)專利，已很大程度上阻礙了后者加入。

國(guó)內(nèi)技術(shù)和工藝確實(shí)暫時(shí)跟不上國(guó)外最先進(jìn)的水平，但我們只要能夠達(dá)到 Xilinx、Intel PSG(原 Altera)公司 5--10 年前的水平，也可以滿足相當(dāng)多的使用需求。FPGA 國(guó)產(chǎn)化的主要瓶頸：專業(yè)人才缺、產(chǎn)業(yè)周期長(zhǎng)、技術(shù)門檻高、投入資金大。
 

國(guó)產(chǎn)化 FPGA 戰(zhàn)略必須上升到國(guó)家層面才有可能實(shí)現(xiàn)大的突破，沒有國(guó)家的支持企業(yè)很難承受巨大的研發(fā)投入。
 

相信 FPGA 國(guó)產(chǎn)化之路將越走越順暢。

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